電壓傳感器回路：電壓傳感器的作用_電壓傳感器選用原則
電壓傳感器的作用
電壓傳感器作用：電壓傳感器是能感受被測(cè)電壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。在各種自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，常常需要對(duì)高速變化的交、直流電壓信號(hào)作跟蹤采集，對(duì)于比較復(fù)雜的電壓波形作頻譜分析。這類(lèi)信號(hào)可能是高電壓、大電流等強(qiáng)電，也可能是負(fù)載能力很差的弱電或幅值很小的信號(hào)。在這些情況中，就需要采用合適的電壓傳感器對(duì)不能直接測(cè)量或不匹配的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，從而得到標(biāo)準(zhǔn)化、電氣隔離的電壓信號(hào)。
對(duì)于交流電壓測(cè)量，可用電壓互感器作為傳感元件，即使用一臺(tái)電壓互感器將被測(cè)電壓降至到可利用的低電壓，然后通過(guò)相關(guān)電路變換成與被測(cè)電壓成線性關(guān)系的直流電壓送入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換器。
當(dāng)被測(cè)電壓為直流電壓時(shí)，可用分壓電阻作為傳感元件，并聯(lián)在被測(cè)元件兩端的電阻值應(yīng)足夠大（一般應(yīng)控制在消耗功率小于被測(cè)電機(jī)額定功率的1/1000以下），以盡可能地減少該回路電流產(chǎn)生的損耗給測(cè)量值造成的影響，對(duì)于低壓電機(jī)，應(yīng)在10KΩ左右。取該被測(cè)電壓在電阻上的一部分電壓降作為信號(hào)，直接送入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換器。
電壓傳感器選用原則
電壓測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的電壓傳感器，電壓傳感器選用的基本原則是：
①被測(cè)電壓的量值范圍是選擇電壓傳感器的重要依據(jù)，因此要有足夠?qū)挼碾妷簻y(cè)量的范圍；
②應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍和足夠高的測(cè)量精度；
③有足夠高的輸入阻抗，電壓傳感器的輸入電阻就是被測(cè)電路的額外負(fù)載，為了減小測(cè)量電路的接入對(duì)被測(cè)電路的影響，要求其具有較高的輸入阻抗；
④應(yīng)具有較高的抗干擾能力，被測(cè)電壓中往往含有一些噪聲干擾等不需要測(cè)量的成分。
電壓傳感器回路：電壓電流傳感器原理
根據(jù)不同的電流測(cè)量原理，電流傳感器一般有電阻分流器檢測(cè)、霍爾效應(yīng)、磁通門(mén)、電磁感應(yīng)、羅氏線圈（電磁感應(yīng)原理及安培環(huán)路定律）這五種技術(shù)。根據(jù)測(cè)量原理的不同，電流傳感器主要有分流器、霍爾電流傳感器、電流互感器、磁通門(mén)電流傳感器、羅氏線圈、巨磁阻電流傳感器、光纖電流傳感器這幾種類(lèi)型。
電壓傳感器原理：?
1.?磁平衡式霍爾電壓傳感器?
原邊電流VP通過(guò)原邊電阻轉(zhuǎn)換為原邊電流IP，IP產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)過(guò)放大產(chǎn)生的副邊電流IS通過(guò)副邊線圈的磁通量相平衡。副邊電流IS精確地反映原邊電壓。
2.?磁調(diào)制式電壓傳感器?
本系列傳感器未使用霍爾元件。它采用兩組相同的磁路和副邊線圈，其工作原理為由內(nèi)部方波振蕩電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流對(duì)安匝數(shù)補(bǔ)償，以達(dá)到磁場(chǎng)平衡。
3.?高阻隔離式電壓傳感器?
該系列電壓傳感器所測(cè)量的原邊電壓經(jīng)原邊電阻值電阻分壓，其產(chǎn)生的低壓信號(hào)到副邊放大電路后輸出測(cè)量電壓信號(hào)Vs。?
4.?隔離放大器式電壓傳感器?
該系列電壓傳感器所測(cè)量的原邊電壓經(jīng)過(guò)原邊高阻值電阻分壓，其產(chǎn)生的低壓信號(hào)采用高精度的光電隔離元件傳送到副邊放大電路后輸出測(cè)量電壓信號(hào)；亦可經(jīng)電壓／電流轉(zhuǎn)換電路輸出測(cè)量電流信號(hào)IS。?
電流傳感器原理
一、分流器
分流器是根據(jù)直流電流通過(guò)電阻時(shí)電阻兩端產(chǎn)生電壓的原理制作而成，分流器實(shí)際就是一個(gè)阻值很小的電阻，當(dāng)有直流電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生壓降，供直流電流表顯示，直流電流表實(shí)際為電壓表，一般這個(gè)電壓表量程為75mV、150mV、300mV，用電壓表來(lái)測(cè)量這個(gè)電壓，再將這個(gè)電壓換算成電流，就完成了大電流的測(cè)量。
分流器原理圖
在低頻率小幅值電流測(cè)量中，表現(xiàn)出高的精度和較快的響應(yīng)速度。在工業(yè)領(lǐng)域中，在不涉及到測(cè)量回路與被測(cè)電流之間電隔離的場(chǎng)合，分流器是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)的首選的低成本方案。
二、電流互感器
電流互感器原理是依據(jù)電磁感應(yīng)原理的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。電流互感器的作用是可以把數(shù)值較大的一次電流通過(guò)一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來(lái)進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量等用途。
穿心式電流互感器原理圖
電流互感器技術(shù)成熟，在工頻測(cè)量方面有非常高的精度，由于其原理限制，不能測(cè)量直流。
三、霍爾電流傳感器
霍爾電流傳感器包括開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種，開(kāi)環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是霍爾直放式原理，閉環(huán)的霍爾電流傳感器采用的是磁平衡原理。高精度的霍爾電流傳感器大多屬于閉環(huán)式。
開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器原理圖
磁平衡式霍爾電流傳感器原理圖
四、磁通門(mén)電流傳感器
磁通門(mén)傳感器是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)的。這種物理現(xiàn)象對(duì)被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)好像是一道“門(mén)”，通過(guò)這道“門(mén)”，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用這種現(xiàn)象來(lái)測(cè)量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而間接的達(dá)到測(cè)量電流的目的。
磁通門(mén)電流傳感器原理圖
磁通門(mén)傳感器具有分辨力高、測(cè)量弱磁場(chǎng)范圍寬、可靠、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)的分量和適于在速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)。
五、羅氏線圈
羅氏線圈是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈。輸出信號(hào)是電流對(duì)時(shí)間的微分。通過(guò)一個(gè)對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分的電路，就可以真實(shí)還原輸入電流。該線圈具有電流可實(shí)時(shí)測(cè)量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和的特點(diǎn)，適用交流尤其是高頻大電流測(cè)量。
羅氏線圈測(cè)量原理圖
羅氏線圈是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈。輸出信號(hào)是電流對(duì)時(shí)間的微分。通過(guò)一個(gè)對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分的電路，就可以真實(shí)還原輸入電流。該線圈具有電流可實(shí)時(shí)測(cè)量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和的特點(diǎn)，適用交流尤其是高頻大電流測(cè)量。
六、巨磁阻電流傳感器
物質(zhì)的電阻率在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生輕微變化。這種現(xiàn)象叫磁阻效應(yīng)（AMR）。某些條件下物質(zhì)電阻率會(huì)隨磁場(chǎng)產(chǎn)生較大變化稱(chēng)作巨磁阻效應(yīng)（GMR）。GMR可以比AMR大一個(gè)數(shù)量級(jí)的靈敏度。巨磁阻效應(yīng)是一種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象，是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。基于這個(gè)效應(yīng)的傳感器就是巨磁阻傳感器。
巨磁阻電流傳感器原理圖
七、光纖電流傳感器
光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應(yīng)為基礎(chǔ)、以光纖為介質(zhì)的新型電流傳感器。激光束通過(guò)光纖，并經(jīng)起偏器產(chǎn)生偏振光，經(jīng)自聚焦透鏡人射到磁光晶體：在電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)作用下，偏振面旋轉(zhuǎn)θF角度;經(jīng)過(guò)檢偏器、光纖，進(jìn)人信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)θF的測(cè)量得到電流值。
光纖電流傳感器原理圖
光纖電流傳感器主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)中電流的測(cè)量;除此之外與電機(jī)制造廠、測(cè)量?jī)x器儀表廠結(jié)合，還可研制開(kāi)發(fā)線路事故點(diǎn)的標(biāo)定裝置及事故區(qū)間的判定裝置等一系列電力系統(tǒng)的測(cè)量、診斷裝置。
電壓傳感器回路：電流電壓傳感器的用途和特點(diǎn)
在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用的很多場(chǎng)合，需要對(duì)電流和電壓進(jìn)行測(cè)量和控制，特別是在一些需要對(duì)大電流和高電壓測(cè)量和控制以及對(duì)所測(cè)電流和電壓要求較高精確度的情況下，需要使用安全、方便可靠精確度較高的電流電壓傳感器。早期，人們采用分流器和分壓器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的檢測(cè)，但這種方法無(wú)法對(duì)主回路進(jìn)行隔離測(cè)量，這種方法使用不安全、精確度低。后來(lái)人們又發(fā)明了互感器，它與直接分流、分壓的方法相比，實(shí)現(xiàn)了主回路進(jìn)行隔離檢測(cè)，無(wú)疑是一大進(jìn)步，但它的應(yīng)用范圍比較窄，只適用于50Hz 正弦波的工頻檢測(cè)，對(duì)于其它波形電流、電壓的測(cè)量它就無(wú)能為力了。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，原有的電流檢測(cè)元件（如分流器、互感器）已不能滿足中、高頻，高di/dt，寬頻譜電流波形的傳遞，霍爾電流電壓傳感器是彌補(bǔ)這一空缺的、有著廣泛應(yīng)用范圍和前景的主要檢測(cè)元件。霍爾電流電壓傳感器與普通互感器相比有著下面的特點(diǎn)：
1. 測(cè)量范圍廣：它可以測(cè)量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖、三角波形等，甚至對(duì)瞬態(tài)峰值電流、電壓信號(hào)也能忠實(shí)地進(jìn)行反映；
2. 響應(yīng)速度快：最快者響應(yīng)時(shí)間只為1us。
3. 測(cè)量精度高：其測(cè)量精度優(yōu)于1%，該精度適合于對(duì)任何波形的測(cè)量。普通互感器是感性元件，接入后影響被測(cè)信號(hào)波形，其一般精度為3%~5%，且只適合于50Hz 正弦波形。
4. 線性度好：優(yōu)于0.2%
5. 動(dòng)態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間快，可小于1us；普通互感器的響應(yīng)時(shí)間為10~20ms。
6. 工作頻帶寬：在0~100KHz 頻率范圍內(nèi)的信號(hào)均可以測(cè)量。
7. 可靠性高，平均無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)：平均無(wú)故障時(shí)間>5 10 小時(shí)
8. 過(guò)載能力強(qiáng)、測(cè)量范圍大：0---幾十安培~上萬(wàn)安培
9. 體積小、重量輕、易于安裝。
由于霍爾電流電壓傳感器以上的優(yōu)點(diǎn)，故而可廣泛應(yīng)用與變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電NETJ控系統(tǒng)和需要隔離檢測(cè)電流電壓的各個(gè)領(lǐng)域中。
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電壓傳感器回路：霍爾電壓傳感器的電路圖 工作原理
霍爾電壓互感器的工作原理在測(cè)量交變電流的大電壓時(shí),為能夠安全測(cè)量而在火線和地線之間并聯(lián)一個(gè)變壓器(接在變壓器的輸入端),這個(gè)變壓器的輸出端接入電壓表,由于輸入線圈的匝數(shù)大于輸出線圈的匝數(shù),因此輸出電壓小于輸入電壓,電壓互感器就是降壓變壓器. 按原理分為電磁感應(yīng)式和電容分壓式兩類(lèi)。電磁感應(yīng)式多用于 220kV及以下各種電壓等級(jí)。電容分壓式一般用于110kV以上的電力系統(tǒng),330～765kV超高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用較多。電壓互感器按用途又分為測(cè)量用和保護(hù)用兩類(lèi)。對(duì)前者的主要技術(shù)要求是保證必要的準(zhǔn)確度；對(duì)后者可能有某些特殊要求，如要求有第三個(gè)繞組，鐵心中有零序磁通等。 電磁感應(yīng)式電壓互感器 其工作原理與變壓器相同，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時(shí)接近于空載狀態(tài)。電壓互感器本身的阻抗很小，一旦副邊發(fā)生短路，電流將急劇增長(zhǎng)而燒毀線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時(shí)，副邊出現(xiàn)對(duì)地高電位而造成人身和設(shè)備事故。測(cè)量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結(jié)構(gòu)，其原邊電壓為被測(cè)電壓（如電力系統(tǒng)的線電壓），可以單相使用,也可以用兩臺(tái)接成V-V形作三相使用。實(shí)驗(yàn)室用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適應(yīng)測(cè)量不同電壓的需要。供保護(hù)接地用電壓互感器還帶有一個(gè)第三線圈，稱(chēng)三線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開(kāi)口三角形（圖1）， 開(kāi)口三角形的兩引出端與接地保護(hù)繼電器的電壓線圈聯(lián)接。正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)的三相電壓對(duì)稱(chēng)，第三線圈上的三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和為零。一旦發(fā)生單相接地時(shí),中性點(diǎn)出現(xiàn)位移,開(kāi)口三角的端子間就會(huì)出現(xiàn)零序電壓使繼電器動(dòng)作，從而對(duì)電力系統(tǒng)起保護(hù)作用。線圈出現(xiàn)零序電壓則相應(yīng)的鐵心中就會(huì)出現(xiàn)零序磁通。為此，這種三相電壓互感器采用旁軛式鐵心（10kV及以下時(shí)）或采用三臺(tái)單相電壓互感器。對(duì)于這種互感器，第三線圈的準(zhǔn)確度要求不高，但要求有一定的過(guò)勵(lì)磁特性（即當(dāng)原邊電壓增加時(shí)，鐵心中的磁通密度也增加相應(yīng)倍數(shù)而不會(huì)損壞）。 電磁感應(yīng)式電壓互感器的等值電路與變壓器的等值電路相同。 電容分壓式電壓互感器 在電容分壓器的基礎(chǔ)上制成。其原理接線見(jiàn)圖2。 電容C1和C2串聯(lián)，U1為原邊電壓,為C2上的電壓。空載時(shí),電容C2上的電壓為 由于C1和C2均為常數(shù)，因此正比于原邊電壓。但實(shí)際上，當(dāng)負(fù)載并聯(lián)于電容C2兩端時(shí),將大大減小,以致誤差增大而無(wú)法作電壓互感器使用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在電容C2兩端并聯(lián)一帶電抗的電磁式電壓互感器YH，組成電容分壓式電壓互感器(圖3)。 電抗可補(bǔ)償電容器的內(nèi)阻抗。YH有兩個(gè)副繞組，第一副繞組可接補(bǔ)償電容Ck供測(cè)量?jī)x表使用；第二副繞組可接阻尼電阻Rd，用以防止諧振引起的過(guò)電壓。 電容式電壓互感器多與電力系統(tǒng)載波通信的耦合電容器合用，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低造價(jià)。此時(shí)，它還需滿足通信運(yùn)行上的要求。電壓互感器工作原理 電磁式電壓互感器的工作原理和變壓器相同。 圖為電磁式電壓互感器原理接線圖，電壓互感器的特點(diǎn)是：(1)容量很小，類(lèi)似一臺(tái)小容量變壓器；(2)二次側(cè)負(fù)荷比較恒定，所接測(cè)量?jī)x表和繼電器的電壓線圈阻抗很大，因此，在正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器接近于空載狀態(tài)。電壓互感器的一、二次線圈額定電壓之比，稱(chēng)為電壓互感器的額定電壓比。即：kn=U1n/U2n其中一次線圈額定電壓U1n是電網(wǎng)的額定電壓，且已標(biāo)準(zhǔn)化(如10，35,110，220，330，500千伏等),二次電壓U2n，則統(tǒng)一定為100(或100/ )伏，所以 kn也標(biāo)準(zhǔn)化。互感器原理 在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬(wàn)安都有。為便于二次儀表測(cè)量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測(cè)量是非常危險(xiǎn)的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。較早前，顯示儀表大部分是指針式的電流電壓表，所以電流互感器的二次電流大多數(shù)是安培級(jí)的（如5A等）。現(xiàn)在的電量測(cè)量大多數(shù)字化，而計(jì)算機(jī)的采樣的信號(hào)一般為毫安級(jí)（0-5V、4-20mA等）。微型電流互感器二次電流為毫安級(jí)，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。微型電流互感器也有人稱(chēng)之為“儀用電流互感器”。（“儀用電流互感器”有一層含義是在實(shí)驗(yàn)室使用的多電流比精密電流互感器，一般用于擴(kuò)大儀表量程。）電流互感器原理線路圖微型電流互感器與變壓器類(lèi)似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作,變壓器變換的是電壓而微型電流互感器變換的是電流罷了。如圖繞組N1接被測(cè)電流，稱(chēng)為一次繞組（或原邊繞組、初級(jí)繞組）；繞組N2接測(cè)量?jī)x表，稱(chēng)為二次繞組（或副邊繞組、次級(jí)繞組）。微型電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實(shí)際電流比K。微型電流互感器在額定工作電流下工作時(shí)的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n微型電流互感器大致可分為兩類(lèi)，測(cè)量用電流互感器和保護(hù)用電流互感器。測(cè)量用電流互感器 測(cè)量用電流互感器主要與測(cè)量?jī)x表配合，在線路正常工作狀態(tài)下，用來(lái)測(cè)量電流、電壓、功率等。測(cè)量用微型電流互感器主要要求：1、絕緣可靠，2、足夠高的測(cè)量精度，3、當(dāng)被測(cè)線路發(fā)生故障出現(xiàn)的大電流時(shí)互感器應(yīng)在適當(dāng)?shù)牧砍虄?nèi)飽和（如500%的額定電流）以保護(hù)測(cè)量?jī)x表。保護(hù)用電流互感器 保護(hù)用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發(fā)生短路過(guò)載等故障時(shí)，向繼電裝置提供信號(hào)切斷故障電路，以保護(hù)供電系統(tǒng)的安全。保護(hù)用微型電流互感器的工作條件與測(cè)量用互感器完全不同，保護(hù)用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時(shí)才開(kāi)始有效的工作。保護(hù)用互感器主要要求：1、絕緣可靠，2、足夠大的準(zhǔn)確限值系數(shù)，3、足夠的熱穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。保護(hù)用互感器在額定負(fù)荷下能夠滿足準(zhǔn)確級(jí)的要求最大一次電流叫額定準(zhǔn)確限值一次電流。準(zhǔn)確限值系數(shù)就是額定準(zhǔn)確限值一次電流與額定一次電流比。當(dāng)一次電流足夠大時(shí)鐵芯就會(huì)飽和起不到反映一次電流的作用，準(zhǔn)確限值系數(shù)就是表示這種特性。保護(hù)用互感器準(zhǔn)確等級(jí)5P、10P
電磁感應(yīng)式多用于 220kV及以下各種電壓等級(jí)。電容分壓式一般用于110kV以上的電力系統(tǒng),330～765kV超高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用較多。
當(dāng)被測(cè)線路發(fā)生故障出現(xiàn)的大電流時(shí)互感器應(yīng)在適當(dāng)?shù)牧砍虄?nèi)飽和（如500%的額定電流）以保護(hù)測(cè)量?jī)x表。
